摘要：信息社會對數據的需求越來越大，數據中心已成為*的重要基礎設施之一。隨著國家雙碳政策的逐步推進，能耗密度高的數據中心也成為減碳行動的主要對象，甚至與傳統(tǒng)的高能耗行業(yè)并列，許多地區(qū)也對新數據中心的能源利用效率提出了影響（PUE）提出了很高的要求。原舊數據中心的機電系統(tǒng)落后，需要進行能效診斷和升級，以改進PUE。通過能效管理系統(tǒng)研究數據中心的能耗構成，進行能效診斷，提出節(jié)能改造的主要措施，為數據中心的綠色高效運行提供節(jié)能降耗優(yōu)化思路，提高數據中心的能源利用效率。

關鍵詞：數據中心；能效診斷；電能治理；節(jié)能改造；

一綜述

  數據中心的能效診斷是通過對數據中心的整體能耗分析、IT設備能耗、制冷系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的能耗和能效對標。制冷系統(tǒng)的主要能效評價指標是制冷負載系數CLF，是數據中心制冷設備與IT設備的比值，供電負載系數PLF是數據中心供配電設備與IT設備的比值，數據中心的PUE值也與這兩個系數密切相關。如圖1所示：

圖1數據中心CLF、PLF與PUE的關系

  在數據中心，只有IT設備的功耗（圖1中的E4）被認為是“有意義的"電能。因此，除IT設備外，其他設備消耗的電能比例越低，數據中心的PUE值性能就越好。Acrel-8000數據中心能效管理系統(tǒng)主要從以上數據診斷數據中心能效，并提出有針對性的改造方案。

二能效診斷

  數據中心建成較早，機房建筑面積約1.5萬㎡，地上兩層，一層設置為變配電室、蓄電池室、冷水機組室、運營商機房等電力和網絡基礎設施，如圖2所示。二樓主要設置12間機房，可部署約3000套機柜，已部署1500套機柜。供電系統(tǒng)設置兩個110kV主變，兩個10kV開關，4個10/0.4kV低壓變配電室，8個低壓變壓器，總供電容量2萬KVA。低壓配電室配備UPS設備，確保供電。終端有70個安科瑞ANDPF精密配電柜，為IT設備提供主要電源。

圖2數據中心一層平面圖

  Acrel-8000數據中心能效管理系統(tǒng)實現(xiàn)了從110kV變電站到終端精密配電柜的全覆蓋能源管理、設備監(jiān)控和能耗分析，如圖3所示。主要功能包括：

  電力監(jiān)控：監(jiān)控110kV變電站、2個10kV開關、4個10/0.4kV低壓變配電室配電系統(tǒng)的運行情況，實現(xiàn)遙控、遙信、越限報警、故障分析、電能質量分析、運行報表等功能；

  設備監(jiān)控：柴油發(fā)電機、變壓器、UPS、電池組、精密配電柜、精密空調狀態(tài)及運行參數，并提供異常預警、運行報表等功能；

  能耗診斷：統(tǒng)計數據中心總能耗、IT設備能耗、制冷系統(tǒng)能耗、供電系統(tǒng)能耗、照明和辦公能耗，計算CLF/PLF/PUE等能耗指標；

  環(huán)境監(jiān)測：監(jiān)測數據中心溫濕度、水浸、電池室氫濃度等數據，并提供越限報警；

  運維管理：發(fā)布工單、巡檢計劃、工單跟蹤管理等，協(xié)助維修人員高效運維。

圖3Acrel-8000數據中心能效管理系統(tǒng)高壓配電系統(tǒng)

1能效分析

  經過一年的系統(tǒng)調試，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)數據中心的能源利用效率相對較低。系統(tǒng)數據顯示，全年IT設備能耗占51%，制冷系統(tǒng)(冷凍水機組、空調末端、新風等。)能耗占36%，供電系統(tǒng)(變壓器、UPS、發(fā)電機、開關)10%，照明及辦公占3%左右。

  PUE值約為1.96；

  CLF約為0.71；

  PLF約為0.2；

  由于數據中心機電設備陳舊，缺乏有效的節(jié)能管理控制措施，能效利用效率低，落后于新建數據中心。

2空調系統(tǒng)

  數據中心大樓采用集中空調系統(tǒng)供冷，主要設備有冷水機組、冷卻塔、冷凍泵和冷卻泵。通過系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)，空調系統(tǒng)水冷式制冷主機全年連續(xù)運行。當定頻制冷主機負荷率為80%-90%時，當變頻制冷主機負荷率為60%-70%時，主機運行時綜合能效較高。但在系統(tǒng)運行和控制過程中，兩臺主機大部分時間都沒有在較高的效率范圍內運行。夏、春、秋、冬季工況下，系統(tǒng)冷凍水出水溫度保持恒定5℃，系統(tǒng)輸出沒有根據實際環(huán)境負荷的變化進行調整，冬季自然冷源也沒有得到充分利用。

3變配電系統(tǒng)

  數據中心現(xiàn)有8臺變壓器，分別來自2個10kV開關站。變配電系統(tǒng)采用雙通道互備模式接入。UPS系統(tǒng)為5個數據室服務器供電。通過系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)變壓器低壓側測量發(fā)現(xiàn)諧波嚴重，現(xiàn)場未安裝諧波處理裝置。UPS系統(tǒng)中大量電池組的單個電池性能不一致，內阻過大導致整組電池充放電加熱，損耗增加，存在安全隱患。

4照明系統(tǒng)

  數據中心照明系統(tǒng)采用節(jié)能燈和筒燈，公共區(qū)域和數據中心區(qū)域采用手動控制。建筑照明光源主要采用普通熒光燈和筒燈。燈具規(guī)格多樣，部分區(qū)域照度不符合規(guī)范規(guī)定的照度要求，控制方法相對落后。

三節(jié)能改造措施

1充分利用自然冷源

  當室外濕球（或干球溫度）低于室內空調設計溫度并達到一定值時，通過冷卻塔的冷凍水或冷卻水直接或間接為空調系統(tǒng)提供冷量，消除室內冷負荷，使用自然冷源。

2高效控制空調機組

  完善機房設備參數監(jiān)測控制，監(jiān)測主機負荷率、冷凍冷卻出回水溫度壓力、室外濕球溫度等參數，為中央空調系統(tǒng)提供全系統(tǒng)優(yōu)化運行平臺。自動調節(jié)制冷主機在高效范圍內運行，根據負荷變化實時調節(jié)出水溫度，預計冷水機組能效提高8%左右。

3電能質量管理

  由于數據中心的主要負荷是IT設備，UPS被廣泛用于供電、制冷系統(tǒng)使用的變頻設備較多，在工作過程中會對低壓電網側產生諧波反饋，嚴重影響配電系統(tǒng)的電能質量。變壓器低壓側諧波畸變率達到50%，遠遠超過國家標準。這也會導致電纜發(fā)熱，增加電能損耗，影響開關電源的使用壽命，降低設備的使用性能。

  在每個變壓器下安裝500A有源諧波處理系統(tǒng)裝置進行集中處理，型號為Ansin-500-MⅠ類型，自動跟蹤補償負荷產生的諧波電流，大大降低諧波畸變和中性線電流，確保供電系統(tǒng)安全可靠運行，減少系統(tǒng)損耗，見圖4。

圖4ansin-500000-MⅠ集中治理裝置

  對一些諧波較嚴重的電路進行當地補償，如選擇中心UPS出線端對前后波形數據進行比較，通過安裝Ansin-300-BⅠ型有源濾波處理系統(tǒng)后，電壓畸變率從6.32%降值2.05%，電流畸變率從28.94%降值5.67%，提高電網波形質量，見圖5。

圖5Ansin-30000-BⅠ壁掛式處理裝置

4UPS電池監(jiān)控系統(tǒng)

  UPS供電系統(tǒng)是滿足數據中心供電可靠性的核心部分，電池是整個系統(tǒng)的重要組成部分之一，是整個供電系統(tǒng)的“后屏障"。當電池性能因過充、過放電等原因下降，電池內阻增大，導致電池加熱、鼓包等現(xiàn)象，導致供電系統(tǒng)安全整體下降，增加電池充放電損耗。

系統(tǒng)在電池室增加氫濃度監(jiān)測傳感器，當氫濃度可啟動排氣系統(tǒng)時，增加電池監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測電池電壓、內阻和內部溫度功能，數據接入Acrel-8000數據中心能效管理系統(tǒng)，通過電池系統(tǒng)科學運行維護、監(jiān)測維護，及時發(fā)現(xiàn)故障風險，客觀延長電池使用壽命，確保供電安全，降低整體擁有成本，見圖6。

  圖6電池在線監(jiān)控示意圖

5智能照明控制系統(tǒng)

  數據中心機房采用高光效LED光源燈代替原節(jié)能燈和筒燈，增加智能照明控制系統(tǒng)。紅外人體傳感器安裝在走廊、電梯前室、衛(wèi)生間等公共照明區(qū)域，由智能照明控制器控制，使人燈亮，人燈熄滅。同時，整個數據中心照明的集中控制和狀態(tài)監(jiān)控也可以集成在值班室的Acrel-8000系統(tǒng)主機上，節(jié)省照明用電，見圖7。

圖7智能照明控制系統(tǒng)示意圖

6光伏發(fā)電系統(tǒng)

  數據中心屋頂具有較大的光伏組件安裝面積。通過增加光伏太陽能組件和逆變器，采用自用和剩余電源互聯(lián)網模式并入低壓電網，為數據中心提供清潔能源供電，減少數據中心的碳排放。光伏組件吸收太陽能轉化電能，同時反射和反射太陽熱量，在屋頂形成遮蔽結構，避免陽光直射引起的熱量聚集，有效降低夏季建筑空調能耗，降低數據中心空調能耗，預計光伏系統(tǒng)年發(fā)電量40萬kWh。

7其它應用

  除能效管理系統(tǒng)和上述電能質量控制裝置、電池監(jiān)控、智能照明控制和分布式光伏外，安科瑞還包括高低壓配電綜合保護監(jiān)測產品、電能質量在線監(jiān)測裝置（A類）、智能小母線系統(tǒng)、精密配電柜、電氣消防解決方案等。

四結束語

  隨著越來越多的新數據中心，對數據中心的要求越來越高，無論是新的還是多年的數據中心都需要通過技術手段診斷數據中心的能源利用效率，找到節(jié)能空間，確定適合項目的節(jié)能改造方法，以提高數據中心的PUE值。Acrel-結合空調控制相關技術，8000數據中心能效管理系統(tǒng)、安科瑞電力監(jiān)控、電能質量監(jiān)控與治理、電池監(jiān)控、智能照明控制、分布式光伏等硬件產品，幫助數據中心提高能效，減少碳排放，建設綠色環(huán)保數據中心。